Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

* Самовысыхающие ПП, остальные – водные.

Примечание: В числителе приведены нормы расхода ПП для отливок простой конфигурации (окраска стержней), в знаменателе – сложной конфигурации (окраска стержней и форм).

При нормировании необходимо учитывать организационные и технологические потери. При окраске кистью коэффициент использования ПП обычно составляет 0,8-0,9, а при окраске распылением – 0,7-0,8.

191

6.ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Квспомогательным формовочным материалам относятся многочисленные добавки, вводимые как в составы формовочных и стержневых смесей для придания им специальных свойств, так и используемые для снижения адгезии оснастки к поверхности формы и стержня, склеивания и ремонта форм и стержней, формирования вентиляционных каналов в стержнях, а также материалы для изготовления прокладочных шнуров, обеспечивающих предотвращение прорыва расплава по плоскости разъема двух полуформ.

6.1.Материалы, улучшающие свойства смесей на стадиях смесеприготовления, формовки и от-

верждения Как известно, формирование свойств смесей начинается уже на стадии перемешивания

компонентов смеси, когда требуется равномерное распределение всех ингредиентов по поверхности зерен наполнителя. Для интенсификации этого процесса рекомендуется вводить в состав смесей специальные добавки, снижающие внутреннее трение между зернами песка и улучшающие реологические свойства смеси (сыпучесть, текучесть, подвижность и др.).

Для единых песчано-глинистых смесей и наиболее эффективными такими добавками являются: крахмалит, игетан, а также различные поверхностно-активные вещества (ПАВ) в количестве до 0,1 %.

Особенно важным является снижение внутреннего трения между зернами наполнителя жидких самотвердеющих смесей (ЖСС). В этом случае в составах ЖСС также используют различные поверхностно-активные вещества, но в больших количествах (0,2-0,5%). При таком расходе ПАВ и дополнительном введении воды в процессе перемешивания компонентов в лопастном смесителе происходит пенообразование, что позволит перевести смесь в жидкоподвижное состояние, т.е. получать ЖСС. К таким ПАВам следует отнести следующие материалы [14]:

-рафинированный алкиларилсульфонат (РАС) на основе сульфокислот керосиновых фракций представляет собой натриевые соли нефтяных сульфокислот. Однородная прозрачная жидкость полностью растворима в воде, содержание несульфируемых веществ не более 1,0%, содержание поверхностно-активных солей сульфокислот – не менее 45%, содержание сульфата натрия – не менее 4%, содержание соды – не более 3%. Не горюч, не взрывоопасен, не токсичен. Из-за наличия избытка соды при попадании в глаза может вызвать химические ожоги. Поэтому при работе с РАС следует пользоваться очками и резиновыми перчатками.

-нейтрализованный черный контакт (НЧК) – 25%-ный раствор аммоклейных солей нефтяных сульфокислот (рН=7-8). Основное предназначение НЧК – гашение пены в ЖСС и восстановление газопроницаемости смеси. Для этих же целей служит и нейтрализованный контакт Петрова. Количество этих материалов в ЖСС находится в пределах 10-30% от содержания ПАВ.

Добавки, повышающие живучесть смесей. Повышение живучести смесей способствует снижению их расхода и улучшению технологических свойств. В качестве таких добавок используются: крахмалит, каустическая сода, технический хлористый магний и хлористый кальций,

192

алюмоспирты, гликоли.

Добавки, химически связывающие вредные выделения и улучшающие санитарногигиенические условия труда. Для связывания паров формальдегида при отверждении песчаносмоляных смесей используют добавки мочевины или других аминосоединений. Выделения в воздушную среду высокотоксичного фенола при нагреве фенолсодержащих соединений могут быть в значительной степени обезврежены при введении в смеси добавки сильных окислителей (марганцевокислый калий, персульфат калия, кальциевая селитра).

6.2. Материалы, улучшающие качество стержней, форм и отливок Материалы с особыми теплофизическими свойствами позволяют создать направленное

затвердевание отливок в форме. К ним относятся теплоизоляционные материалы и материалы с повышенной теплоаккумулирующей способностью. Теплоизоляционные материалы используются в литейном производстве для приготовления смесей и покрытий с пониженной теплопроводностью и теплоаккумулирующей способностью. Теплоизоляционные материалы применяются в виде пластин, втулок, для облицовки прибылей. Различают зернистые и ячеистые: алгопоритовый песок, диатомит, трепел, вспученный перлит, шунгизит; слоистые: отходы слюды (мусковит и флогопит), вспученный вермикулит; волокнистые: хризотиловый асбест, кремнеземистые волокна, базальтовое волокно, стекловолокно, высокоглиноземистая вата.

Экзотремические смеси используются для обогрева литейных прибылей. Из них изготавливают оболочки для прибылей. Источником тепла служит реакция окисления алюминия и кремния в составе ферросилиция и силикокальция и др. С целью повышения охлаждающей способности формовочной смеси в ее состав добавляется чугунная или стальная дробь.

Добавки, улучшающие теплопроводность смеси. Благодаря действию этих добавок повышается скорость теплоотвода от жидкого металла, быстрее формируется его твердая корка в зоне контакта со стержнем (формой). К такого рода добавкам относятся порошки оксидов железа и марганца, металлические порошки (алюминия, железа, ферросилиция), чугунная или стальная дробь и т.д. Добавки противоположного назначения уменьшают скорость теплоотвода от жидкого металла, благодаря чему получают требуемую структуру в поверхностном слое отливки.

Добавки, препятствующие образованию газовых дефектов в отливках из черных сплавов. При термическом разложении азотсодержащих смол выделяется азот и водород, служащие причиной образования пористости и раковин в металле. Эффективным средством предупреждения газовых дефектов является введение тонкодисперсных порошков оксида железа или диоксида марганца. Эти же добавки препятствуют насыщению поверхности, особенно стальных отливок углеродом.

Материалы для улучшения податливости стержней при высокотемпературном нагреве. Вследствие силового взаимодействия отливки и формы в начальные моменты остывания в затвердевшем металле развиваются внутренние напряжения, которые могут привести к образованию в отливке горячих трещин Для улучшения податливости формы и стержня используют выгорающие добавки (древесную муку или опилки, пенополистироловую крошку и т.п.) или волокнистые и вы-

193

сокопористые молотые материалы (вспученные перлит, вермикулит и т.п.). Для высокотермостойких смоляных связующих, образующих при высоких температурах малоподатливый углеродистый каркас, возможно введение добавок пластификаторов (дибутилфталат, глицерин) или окислителей (КМnО4, NаNО3 и др.). С аналогичной целью

возможно введение добавок минеральных солей, образующих при высоких температурах плавки, способствующие улучшению податливости стержней.

6.3.Антиадгезионные материалы

Кэтой группе материалов относятся разделительные покрытия, уменьшающие прилипаемость формовочных и стержневых смесей к оснастке. Различают два основных вида покрытий: разовые, наносимые на поверхности моделей и стержневых ящиков после каждого или нескольких циклов (порошки и жидкости), а также многократно используемые покрытия деревянных моделей

истержневых ящиков.

Вкачестве разовых наиболее часто применяют так называемые припылы – это тонкодисперсные порошки серебристого графита, талька, ликоподия, белой сажи, древесного угля и др. Использование этих материалов позволяет не только предотвращать обрывы форм и стержней при их извлечении из оснастки, но также существенно повысить долговечность моделей и стержневых ящиков.

Этих же целей достигается применение многократно используемых покрытий – разделительных смазок и полупостоянных покрытий. В качестве разделительных смазок используются суспензии серебристого графита в углеводородных или нефтяных растворителях, растворы олеиновой кислоты в нефтяных растворителях, дизельное топливо, керосин, машинное масло и др.

Основная область применения разделительных смазок – формы из песчано-глинистых смесей, изготавливаемые по-сырому, а также формы и стержни из ЖСС. В справочнике [14] приведено более 20 составов разделительных покрытий для различных технологий изготовления форм и стержней с использованием разнообразной оснастки.

Полупостоянные покрытия защищают оснастку (преимущественно деревянную) от преждевременного износа и одновременно уменьшают прилипаемость смеси к оснастке. Для полупостоянных покрытий используются составы, содержащие нитроцеллюлозные и эпоксидные эмали (НЦ-5123, ЭП-773), химически стойкий лак (ХСЛ), низкомолекулярный силоксановый каучук (СКТН-4) с различными добавками (битумный лак, хлоропреновый каучук, оксид цинка, оксид магния и др.). Все эти покрытия должны иметь высокую влагостойкость, износостойкость, пластичность, что позволило бы использовать их до 10000-30000 съемов формы и ли стержня.

6.4.Литейные клеи и замазки

Литейные клеи, применяемые для склеивания стержней, изготавливают из огнеупорных глин, бентонита, лигносульфонатов, дестрина, пылевидного кварца, жидкого стекла, поливинилацетатной дисперсии, полигликоля, кальцинированной соды, молотого известняка, асбеста, талька и др. материалов. Клей должен иметь хорошую кроющую способность при нанесении на склеиваемые поверхности, обеспечивать требуемую прочность склеивания, обладать минимальной гиг-

194

роскопичностью. Прочность клеевого соединения определяют при растяжении предварительно распиленных по минимальному сечению и склеенных стандартных стержней-восьмерок с последующим испытанием высушенных и охлажденных образцов. В настоящее время известно большое количество самых разнообразных литейных клеев, но главным принципом при их разработке является химическое сродство связующих материалов смеси, из которой изготавливается стержень и литейного клея. Только в этом случае может быть обеспечена высокая адгезионно-когезионная прочность склеенного или отремонтированного стержня.

Замазки используются для устранения мелких дефектов форм и стержней при окончательной отделке. Значительные дефекты могут быть исправлены с применением базовых смесей. Замазки приготавливаются на основе формовочных глин или различных клеев (декстрин, лигносульфонат, пектиновый клей и др.). В качестве наполнителей используются различные огнеупорные материалы 0- кварцевый песок, пылевидный кварц, тальк и др. В зависимости от типа сплава в замазки вводятся различные добавки (черный графит – для чугуна, железный сурик – для алюминиевых сплавов и т.п.)

При изготовлении стержней и форм из ХТС для заделки могут использоваться рабочие составы ХТС с предварительным нанесением на поврежденное место слоя смолы с применением крепящих шпилек.

6.5. Прокладочные жгуты и стержневые фитили Прокладочные жгуты применяются для уплотнения разъемов при сборке форм, а также

знаковых частей стержней и литниковых чаш. Составы масс для изготовления жгутов содержат: битум нефтяной, минеральное масло или бентонит, тальк, жидкое стекло или молотую глину, кварцевый песок и воду.

Жгуты должны обладать пластичностью, достаточной прочностью на растяжение (0,04- 0,05 МПа) и противостоять воздействию жидкого металла. Примеры составов прокладочных жгутов приведены в табл.6.1. Из этих составов изготовляют прокладочные жгуты диаметром 8-30 мм, длиной (690 10) мм. Расход жгутов – 2,5-4,0 кг/т годных отливок. Достигаемое в результате применения жгутов снижение массы заливов составляет 6-12 кг металла/т годных отливок.

195

При использовании жгутов взамен промазки огнеупорной глиной толщина заливов по знаковым частям и ладу формы сокращается на 40-50%; выход годного для средних отливок повышается на 1%, для крупных – на 0,3%; достигается экономия 0,5-0,7 р./т годных отливок.

Стержневые фитили предназначены для осуществления облегченного газоотвода из стержней в процессе заливки металла. Рекомендуемые составы смесей для фитилей приведены ниже.

А. Для стержней, высушиваемых при температуре 220 0С и выше, масс. доля, %: битум № 5 80; парафин 15; петролятум 5.

Б. Для стержней, высушиваемых при температуре ниже 220 С, масс. доля, %: битум № 3 80; парафин желтый 20.

Для стержней из песчано-смоляных ХТС рекомендуется применение капроновых шнуров, представляющих собой упругую трубку диаметром 7 мм из капроновых моноволокон и хлопчатобумажных нитей, которую размещают в стержне в процессе подачи смеси в стержневой ящик.

6.6. Добавки для улучшения выбиваемости жидкостекольных смесей Одним из серьезнейших недостатков жидкостекольных смесей является их затрудненная

выбиваемость из отливок, причина которой состоит в том, что при 600-800 0С образуются легкоплавкие силикаты, приводящие при охлаждении к спеканию смеси и резкому повышению ее прочности.

Все добавки, используемые для решения проблемы затрудненной выбиваемости, можно разделить на две группы:

1 – Добавки, вводимые непосредственно в жидкое стекло, в том числе и в период автоклавного растворения силикат-глыбы. Подобные материалы – модификаторы жидкого стекла были рассмотрены выше (см.4.2.4). В дополнение к выше перечисленным высокую эффективность показали и их импортные аналоги. Например, такие как Furtophen 450 (Австрия), представляющий собой фенолформальдегидную смолу, стабилизированную фуриловым спиртом; Dexil 35 (Англия), включающий в свой состав 50% декстрина, 25% карбоната кальция и 25% оксида железа.

В отечественных литейных цехах для улучшения выбиваемости жидкостекольных смесей достаточно широко используется гидрол – побочный продукт при получении крахмала.

2 – Добавки, вводимые в жидкостекольную смесь в процессе перемешивания компонентов. Эти материалы, в свою очередь, можно разделить на неорганические, органические и комплексные. Механизм действия неорганических добавок заключается в том, что при прогреве смеси до

196

700-1200 0С происходит образование сложных силикатных систем, обладающих повышенной по сравнению с жидким стеклом температурой плавления, что предотвращает спекание силикатной пленки с поверхностью кварцевого наполнителя и способствует тем самым улучшению выбиваемости стержня из отливки. К таким неорганическим добавкам относятся оксид и гидрооксид алюминия, алюминиевая пудра, фосфоритная мука, выпученный перлит, содержание которых в смеси должно находиться в пределах 0,5-2,5 %. Наиболее эффективно использование этих материалов при изготовлении стальных отливок.

Всоответствие с классификацией проф. С.П.Дорошенко [23] по механизму действия на улучшение выбиваемости жидкостекольных смесей органические вещества можно разделить на три группы.

Кпервой группе можно отнести вещества, воздействие которых на выбиваемость смеси связано с выделением при нагреве большого количества газов, например, древесные опилки с окислителем. Такие добавки эффективны при нагреве смеси не выше 700-720 0С. При более высокой температуре поры в расплавленной композиции завариваются и выбиваемость не улучшается. Вещества первой группы улучшают выбиваемость только из чугунных отливок.

Во вторую группу входят вещества, которые при нагреве не претерпевают агрегатных изменений и в которых после нагрева до 1200 0С коксовый остаток составляет 90-95%. К веществам данной группы относятся черный и серебристый графит, нефтяной и каменноугольный кокс и др. Вещества этой группы улучшают выбиваемость в основном из чугунных отливок и лишь незначительно из стальных.

Ктретьей группе относятся вещества, образующие при нагреве значительное количество сажистого углерода, который, распределяясь в смеси, препятствует спеканию пленки композиции.

Взависимости от количества выделяющегося при 1200 0С сажистого углерода вещества третьей группы, в свою очередь, можно разделить на три подгруппы.

Впервую подгруппу входят вещества, выделяющие до 20% сажистого углерода (торф, патока, гидрол и др.). Он эффективно улучшает выбиваемость стержней из чугунных отливок при прогреве смеси до 700-720 0С.

Ко второй подгруппе относятся вещества, которые выделяют 20-30% сажистого углерода (смолы № 74 и 104, древесные опилки и др.). Они значительно улучшают выбиваемость смеси из чугунных отливок и в некоторой степени и из стальных (при нагреве НСС не более 1000-12000 С).

Вещества третьей подгруппы выделяют более 30% сажистого углерода и эффективно улучшают выбиваемость жидкостекольной смеси как из чугунных, так и из стальных отливок. К этой подгруппе относятся смолы инден-кумароновая, стирльно-инденовая, каменноугольная, № 236, мазут и др.

Количество вышеперечисленных органических добавок в смеси должно находиться в пре-

делах 0,5-2,0%.

3 – Комбинированные добавки представляют собой сочетания в различных пропорциях материалов первых двух групп. Наряду с такими искусственно созданными добавками, известно

197

использование некоторых природных материалов, содержащих в своем составе органическую и минеральную составляющие. Наиболее эффективным из таких минералов является кероген непылящий, представляющий собой однородный порошкообразный концентрат сланца, смешанный с нефтяным маслом ПН-6. Кероген содержит около 70% органических веществ и около 30%- неорганических, представленных, в основном, известковыми породами (СаСО3).

Механизм действия керогена, как материала, улучшающего выбиваемость, заключается в следующем. При нагреве жидкостекольного стержня до 500-6000 С происходит деструкция органической части керогена с образованием газовой фазы и сажистого углерода, разрыхляющих пленку связующего материала. Дальнейший нагрев приводит к разложению СаСО3 СаО + СО2 . Образующаяся газовая составляющая продолжает разрыхлять жидкостекольную пленку, а СаО при температурах выше 900-10000 С образует тугоплавкие системы типа kNa2O nSiO2 mCaO, сдвигающие температуру плавления силикатной пленки в зону температур более 12000 С.

198

7. СВОЙСТВА ФОРМОВОЧНЫХ И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ

Формовочные и стержневые смеси, формирующие качество поверхности отливки, должны обладать комплексом заранее заданных свойств, которые определяются следующими основными факторами:

используемой технологией изготовления форм и стержней;

условиями функционирования форм и стержней на всех этапах технологического процесса изготовления отливки, начиная от формовки и завершая выбивкой;

экологическими, включающими их влияние на атмосферу как в литейном цехе, так и за его пределами;

экономическими, определяющими будущую конкурентноспособность отливки.

Учитывая большое многообразие как стандартных свойств смесей и методов их испытаний,

так и оригинальных, используемых, в основном, в исследовательских целях, а также при проведении поисковых работ, основные свойства формовочных и стержневых смесей можно подразделить на две большие группы (рис.7.1):

определяемые при нормальной температуре и влияющие, в первую очередь, на качество изготавливаемых форм и стержней, производительность труда и трудоемкость этих операций;

определяемые при высоких температурах и влияющие на формирование свойств и качество будущей отливки, а также на трудоемкость финишных операций (выбивки, обрубки, очистки). Обе группы объединяют такие свойства как поверхностная (осыпаемость) и объемная проч-

ность, газопроницаемость, а также экологические и экономические показатели.

Опыт показывает, что роль технологического контроля при внедрении новых процессов изготовления форм и стержней постоянно возрастает. Это приводит к увеличению методов испытаний формовочных и стержневых смесей, особенно, на стадии освоения новых технологий. При этом современные технологические процессы смесеприготовления уже на начальной стадии перемешивания компонентов предусматривают автоматический контроль некоторых свойств смесей (влажность, прочность, текучесть и др.), обеспечивающий гарантированное качество будущих форм и стержней.

199

Свойства смесей

Рис.7.1 Классификация основных свойств формовочных и стержневых смесей

7.1. Контроль свойств смесей при нормальной температуре Общие требования к методам испытания формовочных материалов и смесей установлены как

ГОСТ 23409.00-78, так и стандартами предприятий. Влажность формовочных смесей.

Вода, входящая в состав смесей, не является просто механически примешанным компонентом. Влажные формовочные и стержневые смеси принадлежат к классу структурно-сложных коллоидных капиллярно-пористых веществ. Существует три формы связи воды с минеральными и органическими компонентами смеси: химическая, адсорбционная и капиллярная, т.е. формовочные смеси содержат влагу, удерживаемую различными формами связи. Однако существующие методы контроля влажности не позволяют дифференцировать ее по формам связи. В подавляющем большин-

200